液压机冷却器选型浅析

夏卫明，嵇宽斌，杨维民

（江苏国力锻压机床有限公司，江苏 扬州 225009）

液压机在工作过程中能量的损耗大部分转为热能造成液压油温度升高，油温过高则会引起液压油黏度、容积效率和液压系统工作效率均下降，泄漏增加，甚至使机械设备无法正常工作，加速橡胶密封件老化变质，寿命缩短，甚至丧失其密封性能，使液压系统严重泄漏。因此液压机常常需要配置工业冷却器。

工业冷却器种类繁多，有工业风冷机、工业水冷却器、油/水风冷却器、工业油冷机、管式冷却器、板式冷却器等。而这些冷却器的冷却能力表示却有多种单位制，如：W/℃ 、Kcal/h、W、cal/s、m2等。

冷却器的选型需要比较专业的知识、丰富的设计经验以及实践检验。冷却器选型计算对于不熟悉的工程技术人员有一定难度，往往容易弄错或选型不当（过大或过小）。不同类型的冷却器采用不同单位制表示冷却能力，往往对技术人员进行正确选型计算造成困难。目前冷却器的选型方法多为套用以往成功案例，而往往液压机的输入功率发生了改变，油箱的容积发生了改变，系统节流流量不同，液压机的工作工况各不相同，则套用以往结构型号就不适用了。

液压机液压油正常工作温度一般为15℃～55℃，超过55℃则自动报警提醒用户需要打开冷却器，超过60℃并且持续5分钟以上则自动停机。

中小型液压机多采用板式冷却器，性价比较高。小型液压机或系统功率不大的液压系统采用风冷机或管式冷却器。大型液压机功耗较大，工作速度快，加压行程长，系统发热量较高，一般配置工业油冷机，冷却效果好，但造价较高。

因此冷却器选型往往涉及诸多方面的因素，本文结合我公司的成功经验进行论述，不当之处请读者批评指正。

1 油箱自然散热温升

对于工作速度不快的小吨位液压机，可以不设冷却器，利用油箱自然散热。可取系统输入功率的15%～30%作为系统的发热量进行粗略估算。液压机做冲压工艺可取15%～20%，液压机做拉伸工艺可取20%～30%。油箱达到热平衡时，系统的发热量与油箱的散热量相等，系统的温升为[1]：

当油箱的三个边长比在1:1:1到1:2:3范围内，且油位取油箱高度的0.8倍时，油箱的散热面积可按下式近似计算。

由式（1）、（2）可得：

式中：Pi——输入功率，kW；

K——散热系数，kW/（m2·℃）。通风条件差：

K=（8～9）×10-3kW/（m2·℃）;通风条件良好：K=15×10-3kW/（m2·℃）。

例:某四柱型315t液压机，其油箱容积V=1000L，输入功率Pi=22kW，按冲压工艺计算。

此温升加上环境温度，则夏天持续使用油温容易超过60℃，需要配置冷却器。

2 油箱散热功率

根据上文论述，将式（1）进行适当的变换，就可得到油箱在一定温升下的散热功率。

由上式可知，油温与环境温度的差值越大则油箱的散热功率越大。如取系统发热功率为输入功率的30%，则系统发热功率为：

液压系统的冷却功率为：PL=Pv-P油箱

选择冷却器冷却能力稍大于此值即可。

一般可以设置△T=25℃，则可以得到上文所述油箱的散热功率为

按上文所述实例，则：

可选择冷却能力略大于此值的冷却器。

3 几种冷却器选型方法

3.1 功率损耗法

此方法根据油温的升高来计算功率损失，精度较高。可按下式计算油箱温升功率。

式中：PV——油箱温升功率，kW；

C——油的比热容，C=1.88kJ/（kg·℃）；

ρ——液压油的密度，ρ=0.915kg/L；

V——油的体积，L；

△T——油的温升，℃；

t——油温升高△T=T2-T0的时间，s；

T0——初始油温。

则冷却功率（kW/℃）为：

式中：η——安全系数η=1.1；

T1——冷却热平衡温度。

可按式（6）选择冷却器，略微加大。此方法较为准确，但存在的不足是在设计选择液压机冷却器时并不知道用户的具体工况，因而较难确定油箱的温升功率。

3.2 输入功率法

按输入功率的15%～30%作为系统的发热功率来选择冷却器，液压机带拉伸工艺按大者取，冲压工艺按小者取。此种方法计算往往比较粗略，没有考虑油箱的容积大小，泵、管路、阀块等的散热，一般按大者选择比较安全。

3.3 经验类比法

根据以往成功的经验进行类比，可以省去繁琐的计算和不同冷却单位制的转换。我公司在液压机冷却器选择上积累了很多成功的经验，在产品设计中也多采用此方法，取得较好效果。

一般如选择工业油冷机，可按系统输入功率，结合用户的工况进行估算。经验公式为：

式中：PL——万大卡，1万大卡=10000Kcal/h。

如：1台45kW电机，工业油冷机冷却能力可选择为：

对应连续的拉伸工艺则需取上限，一般工况可以取下限。如液压机只做冲压工艺，1台45kW电机配1万大卡也可。

对于多台大型液压机组成的生产线，例如大型汽车覆盖件冲压生产线，每台液压机一般由多组油泵电机驱动。每台液压机的完成一道特定工序，汽车覆盖件生产线一般有5道工序和3道工序的排列，一般如下：

5道工序排列：拉伸→冲裁→局部拉伸→局部冲裁→整形。

3道工序排列：拉伸→冲裁→整形。

汽车覆盖件液压机冲压生产线，打头液压机吨位一般要大于后面液压机，主要做拉伸工艺，因此冷却器选择往往需要取上限，对于深拉伸工艺和自动线则还需略微增大比例系数。其余液压机则可以取中间值。

工业油冷机一般价格较高，用户往往难以承受，此时可配置板式水冷却器代替。

水冷却器的冷却能力用m2来表示，其选择也可以按泵流量来进行估算，经验公式如下：

式中：AL——水冷却器的换热面积，m2；

Qi——泵输入的流量，L/min。

例：一台45kW四级电机驱动一台160ml/r恒功率变量泵，则对应的板式冷却器的换热面积为：

也即1万大卡的工业油冷机冷却能力大约相当于5 m2的板式冷却器换热面积。

3.4 风冷机计算

工业风冷机一般用当量冷却功率来表征其冷却能力，可按前文所述的发热功率PV进行估算。

式中：P——当量冷却功率，W/℃；

PV——油箱温升功率，kW；

η——安全系数，η=1.1；

T1——环境温度，℃；

T2——油温期望值，℃。

3.5 水冷却器计算

水冷却器一般采用换热面积来表征其冷却能力，换热面积的计算公式：

式中：A——所需换热面积，m2；

PV——油箱温升功率，kW；

△T——平均温差，℃,一般取△T=T1-T2，其中

T1——进油口温度,T2——出油口温度；

K——传热系数[kW/（m2·℃）]，当冷却水流量小，工作油液粘度高取K=200；当一般工作油时取K=250；当冷却水流量大，工作油粘度低取 K=350～400。

例：估算一台45kW电机驱动的液压机液压系统所需的水冷却器的换热面积：

与前文3经验估算基本一致。

4 结束语

本文所述的液压机冷却器选型及相关的计算方法基本能满足液压机设计中冷却器选择的需要。液压机冷却型号和冷却能力的选择需要结合具体工况才能做到较为准确。在设计中采用经验类比法也能较快速准确的选择冷却器的冷却能力。